《武汉工程大学学报》 2014年09期
29-32
出版日期：2014-09-30
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
酸性条件对湖北某银矿固体废物重金属浸出特性
0引言随着经济社会的迅猛发展，人们对矿产的需求逐渐增加，矿业活动也日益频繁，但在矿山开采过程中不可避免的会产生各种固体废弃物，例如废石、尾矿等.这些固体废弃物一般采用露天堆存的方式，在雨水、风蚀的作用下，固体废弃物中的有害成分会通过雨水渗入地下、土壤，造成地下水污染、土壤重金属污染、土壤酸化等，影响农作物的生长进而影响人类健康［13］.湖北某银矿开采已有20多年，产生了大量的固体废弃物.目前废石场占地9 900 m2，尾矿库经扩容后占地面积达39 375 m2.本文采集了采矿废石、浮选尾矿、氰化残渣3种固体废物作为研究对象，通过实验分析了这3种不同的固体废弃物在不同pH条件下重金属元素的浸出效果及对环境的影响，为固体废弃物的安全处置及综合利用提供了依据.1样品的采集与处理在银矿废石堆场采集废石样品500 g，在尾矿库上采集尾矿500 g，在氰化废渣临时堆存场采集样品500 g，采好后装入塑料袋密封好，带回实验室分析.将样品自然风干后，过0.074 mm筛备用.2实验部分2.1实验仪器与试剂2.1.1实验仪器本实验所用仪器设备见表1.表1实验仪器及设备Table 1Laboratory instruments and equipment名称型号产地数控超声波清洗器KQ5200DB昆山市超声仪器有限公司电子天平 SHZ-D（Ⅲ）上海亚荣生化仪器厂电热恒温鼓风干燥箱JD 200-3巩义市英峪予华仪器厂水浴恒温振荡器SHZ-C上海龙跃仪器设备有限公司微波电器 DHG-9246A上海精宏试验设备有限公司火焰原子吸收仪TAS990北京普析通用仪器有限公司2.1.2实验试剂本实验所用实验试剂见表2.表2实验试剂Table 2Reagents试剂名称化学式规格厂家盐酸HClAR开封东大化工有限公司试剂厂硝酸HNO3AR开封东大化工有限公司试剂厂高氯酸HClO4AR南京化学试剂有限公司氢氟酸HFAR广东光华科技股份有限公司硝酸镧La（NO3）3·nH2O-国药集团化学试剂有限公司2.2实验方法2.2.1样品中重金属元素分析称取3种不同的固体废物各0.2 g左右置于3个聚四氟乙烯坩埚中，每个坩埚中都加入10 mL的盐酸、5 mL的硝酸、5 mL的氢氟酸及3 mL的高氯酸，将坩埚置于电热板上加热至样品呈粘稠状，用水冲洗后将溶液转至50 mL的容量瓶中，加入5 mL的硝酸镧溶液，冷却定容后用火焰原子吸收法测定溶液中的Cu、Zn、Pb、Cd四种金属离子的浓度.2.2.2浸出浓度分析本实验采用固体废物浸出-硫酸硝酸法及固体废物浸出-水平振荡法对实验样品进行浸出浓度的研究分析.第9期梅明，等：酸性条件对湖北某银矿固体废物重金属浸出特性武汉工程大学学报第36卷称取实验样品10 g，置于洗净的250 mL锥形瓶中，分别向锥形瓶中加入100 mL的pH为2，3，4，5，6，7的溶液，将锥形瓶放入水浴恒温振荡器中，设置恒定反应温度30 ℃，震荡反应8 h后，静置16 h.待反应完全后，取10 mL液体用0.45 μm滤膜抽滤，抽滤后的水样注入50 mL消解罐中，加入5 mL的硝酸、1 mL的双氧水，将消解罐置于微波炉中在中高温条件下消解10 min，消解后溶液转移至50 mL比色皿，用0.2%的硝酸定容.用火焰原子吸收法测溶液中的Cu、Zn、Pb、Cd四种金属离子浓度.3 结果与分析3.1全元素分析3种不同的样品中各重金属的含量见表3.表3样品中重金属元素的含量Table 3Content of heavy metals in the samplemg/kg样品CuZnPbCd废石142.773277.038469.70330.615尾矿228.043668.773164.10241.89氰化残渣2 670.004983.04764.83820.0373.2采矿废石中重金属元素的浸出特性采矿废石的浸出浓度结果见表4.表 4采矿废石不同pH条件下重金属浸出浓度Table 4Leaching concentration of heavy metals of mining waste rock at different pH valuesmg/L金属pH=2pH=3pH=4pH=5pH=6pH=7Cu0.2560.2560.1630.1330.1020.071Zn0.3630.3450.0310.0540.0660.210Pb8.9440.2100.2540.3090.3610.706Cd0.5370.1870.1520.0830.0660.049从表4中浸出液不同重金属的质量浓度，可以得出采矿废石中不同重金属元素在不同的pH条件下浸出量的变化趋势.Cu、Cd的浸出浓度随着pH的增大而逐渐减小，在pH=3时， Cu的浸出质量浓度达到最大值0.256 mg/L，在pH=2时，Cd的浸出质量浓度达到最大值0.537 mg/L.Pb、Zn的浸出质量浓度并不是随着pH的增大一直减小，而是呈现先减后增的趋势，在pH=2时，Zn的浸出质量浓度达到最大值0.363 mg/L，在pH＜4时，Zn的浸出质量浓度随着pH的增大而逐渐减小，在pH=4时，Zn的浸出质量浓度达到最小值0.031 mg/L.当pH继续增大时，Zn元素的浸出质量浓度逐渐上升.当pH=2时，Pb的浸出质量浓度达到最大值8.944 mg/L，随后Pb的浸出质量浓度随pH值增大而迅速下降，当pH=3时，Pb的浸出质量浓度迅速下降至最低值0.210 mg/L，然后随pH值增大缓慢上升.3.3浮选尾矿中重金属元素的浸出特性浮选尾矿的浸出浓度结果见表5.表 5浮选尾矿不同pH条件下重金属浸出浓度Table 5Leaching concentration of heavy metals of flotation tailings at different pH values mg/L金属pH=2pH=3pH=4pH=5pH=6pH=7Cu0.3020.3180.2560.1630.1630.133Zn1.2740.0660.0730.0930.1290.254Pb5.4700.3090.3090.4260.4360.706Cd0.8620.4610.3280.3010.1550.041从表5中浸出液不同重金属的质量浓度，可以得出浮选尾矿中不同重金属在不同的pH条件下浸出量的变化趋势.Cu的浸出浓度并不是随着pH的增大一直减小，而是随着pH的增大先增大后减小，在pH＜3时，随着pH值的增大Cu的浸出浓度增大，在pH＝3时，浸出质量浓度达到最大值0.318 mg/L，在pH＞3时，随着pH的继续增大，铜的浸出质量浓度逐渐减小.Pb、Zn元素的浸出质量浓度随pH的增大先减小后增大，在pH=2时Zn的浸出质量浓度达到最大值1.274 mg/L，Pb的浸出质量浓度达到最大值5.470 mg/L，当pH=3时，Zn的浸出质量浓度迅速下降至0.066 mg/L，Pb的浸出质量浓度下降至0.309 mg/L.随着pH的继续增大，Pb、Zn的浸出质量浓度逐渐增大.Cd的浸出质量浓度随pH的增大而减小，当pH=2时，Cd的浸出质量浓度达到最大浸出质量浓度为0.862 mg/L.3.4氰化废渣中重金属元素浸出特性氰化废渣的浸出浓度结果见表6.表6氰化废渣不同pH条件下重金属浸出浓度Table 6Leaching concentration of heavy metals of cyanide waste at different pH valuesmg/L元素pH=2pH=3pH=4pH=5pH=6pH=7Cu10.25112.4738.6168.3697.0745.406Zn11.8170.1110.1020.2280.4631.249Pb3.6833.2862.7331.5991.5991.939Cd0.7260.4180.3730.3510.3260.289从表中浸出液不同重金属的质量浓度，可以看出氰化废渣中不同重金属在不同的pH条件下浸出浓度的变化趋势与采矿废石、浮选尾矿大致相同.Cu的浸出浓度随着pH的增大先增大后减小，在pH＜3时，随着pH值的增大Cu的浸出质量浓度增大，当pH＝3时，Cu浸出质量浓度达到最大值12.473 mg/L，随着pH的继续增大，Cu的浸出质量浓度逐渐减小.Zn的浸出质量浓度在pH＜3时明显比pH＞3时的浸出质量浓度大，当pH＜3时，Zn的浸出质量浓度随着pH的增大而降低.在pH=2时呈现最大浸出质量浓度11.817 mg/L.在pH=3时，Zn的浸出质量浓度最小为0.111 mg/L.当pH＞3时，随着pH的增大，Zn元素的浸出质量浓度有所上升.Pb元素的浸出质量浓度随pH的增大呈先减小后增大的趋势，在pH=2时，Pb的浸出质量浓度达到最大值3.683 mg/L，在pH=5时， Pb的浸出质量浓度减至最小值1.599 mg/L，继续增大pH，Pb的浸出质量浓度有所上升.Cd的浸出质量浓度随pH的增大一直减小，当pH＜3后，随着pH的增大，Cd浸出质量浓度的降低速度趋缓，当pH=2时，浸出质量浓度最大为0.726 mg/L.由表4、表5、表6可以看出，pH对于固体废物中重金属的浸出浓度有很大影响，且不同固废中的重金属的最大浸出浓度对应的pH值相同，即pH阈值相同［4］.由于酸浸出反应的实质是酸溶液中的H+通过离子交换反应，置换出废渣中的金属离子，分析出现以上现象的原因可能是，当pH较低时，溶液中H+浓度较大，导致离子交换反应向着溶出重金属的方向进行，同时在较低pH的情况下，重金属的形态有可能发生改变，固化体物理结构的崩解，重金属大量溶出，溶液中重金属离子的浓度逐渐增加［5］.3.5固体废物重金属元素浸出特性比较从表4、表5、表6可以看出氰化废渣中大部分重金属的浸出浓度要比采矿废石和浮选尾矿的重金属浸出浓度要高.表7为各种固体废物重金属浸出率.表 7固体废物重金属浸出率Table 7Heavy metal dissolution rate of solid waste%样品元素pH=2pH=3pH=4pH=5pH=6pH=7废石Cu1.793 11.793 11.141 70.931 50.714 40.497 3Zn1.310 31.245 30.111 90.194 90.238 20.758 0Pb19.041 80.447 10.540 80.657 90.768 61.503 1Cd17.540 46.108 14.964 92.711 12.155 81.600 5尾矿Cu1.324 31.394 51.122 60.714 80.714 80.583 2Zn1.905 00.098 70.109 20.139 10.19290.379 8Pb33.332 91.883 01.883 02.595 92.656 94.302 2Cd20.577 711.005 07.830 07.185 53.700 20.978 8氰化废渣Cu3.839 34.671 53.227 03.134 52.649 42.024 7Zn12.020 80.112 90.103 80.231 90.471 01.270 5Pb56.803 150.680 242.151 224.661 524.661 529.905 3Cd36.233 020.861 418.615 617.517 616.269 914.423 3从表7可以看出，在3种不同的固体废物中，重金属元素Cu、Zn、Pb、Cd在pH值较小的环境中浸出率更大.废石中Cu的最大浸出率为1.793 1%，Zn的最大浸出率为1.310 3%，Pb的最大浸出率为19.041 8%，Cd的最大浸出率为17.540 4%.浮选尾矿中Cu的最大浸出率为1.394 5%，Zn的最大浸出率为1.905 0%，Pb的最大浸出率为33.332 9%，Cd的最大浸出率为20.577 7%.氰化废渣中Cu的最大浸出率为4.671 5%，Zn的最大浸出率为12.020 8%，Pb的最大浸出率为56.680 2%，Cd的最大浸出率为36.233 0%.氰化废渣的浸出率＞尾矿浸出率＞废石浸出率，这可能与不同固体废物中重金属的存在形态差异有关［1］.结合这3种不同固体废物的浸出浓度与浸出率的对比可以得出，金属浸出浓度大对应的浸出率不一定就大，这与不同废物中不同重金属的含量有关.4结语通过对某银矿固体废物中重金属元素的浸出特性的研究，得到以下结论:a.固废中不同重金属元素的浸出浓度均在pH较低的情况下最大，pH是影响重金属浸出浓度较大的因素.采矿废石中Cu、Cd的浸出浓度随pH的增大后减小，Pb、Zn的浸出浓度随pH的增大先减小后增大；浮选尾矿与氰化废渣中相同重金属的浸出浓度随pH的变化趋势一致，Cu的浸出浓度随pH的增大先增大后减小，Pb、Zn的浸出浓度随pH的增大先减小后增大，Cd的浸出浓度随pH的增大一直减小.b.同一种金属的最大浸出浓度所对应的pH阈值相同.Cu元素的pH阈值为3，Zn、Pb、Cd元素的pH阈值均为2.c.结合这3种不同固体废物的浸出浓度与浸出率的对比可以得出，金属浸出浓度大对应的浸出率不一定就大，这与不同废物中不同重金属的含量有关.e.经以上分析，银矿生产过程产生的固体废物中的重金属会不同程度的进入环境，会对生态环境造成影响，需做好防渗措施并加强监测.致谢感谢武汉工程大学清洁生产中心课题组成员的支持与帮助！